（环境工程专业论文）亚硝化厌氧氨氧化生物脱氮工艺研究.pdf

摘要高氨氮、低碳氮比废水实现高效、低耗处理一宜是污水处理领域的难题。近年来，厌氧氨氧化生物脱氮作为一项新型高效生物脱氨工艺技术，已成为当今水污染控制领域的研究热点。国外已对此进行了广泛研究并开始应用于废水生物脱氮领域。笔者以自配高氨氦模拟废水为研究对象，分别对长污泥龄亚硝化技术及高负荷快速启动厌氧氨氧化技术进行了研究，在此基础上采用亚硝化厌氧氨氧化组合工艺成功实现了高氨氮、低碳氮比废水高效生物脱氮。研究结果如下：1 在长污泥龄( 1 0 6d ) 活性污泥距硝化反应系统中通过调节曝气量( 0 0 4 0 m 3 m ) 、控制d o 浓度( 低于1 0 r a g l ) 成功实现了高氨废水经亚硝化反应器出水n h + 4 n n 0 2 - n 比例接近1 ：1 的稳定亚硝化积累。2 利用微生物氧化n i l + 4 - n 过程中的耗氧特性完全可以实现厌氧氨氧化反应器进水溶解氧低于o 0 5 m g 儿为应用厌氧氨氧化工艺实现高效生物脱氦提供前提和保证条件。3 ，试验结果证明，厌氧氨氧化可取得较高的生物脱氨效率，反应器最高n h + 4 - n 、n o i - n 、t n 的去除率分别为9 9 9 1 、9 9 8 6 、9 1 3 5 ，平均n h + 4 - n 、n 0 2 - n 、t n 去除率分别为8 7 8 5 、9 5 5 、8 1 5 以上。4 试验结果表明，利用高负荷启动反应器t n 去除负荷可以在短期内达到0 9 2 k g ( m 3 d ) ，远远高于低负荷启动总氨去除负荷( 0 2 1 5k g ( m 3 d ) ) ，且负荷提高过程中不会出现低负荷启动过程中的n 0 2 n 抑制问题( 起始进水浓度大于3 0 0 m g l ) 。5 试验结果表明，以纯氨氮人上配水为处理对象，在t n 容积负荷为0 3 5 8 k g ( o d ) 的条件下，组合工艺成功实现了高氨氮废水高效生物脱氨。试验运行期间，最高n h + 4 n 、t n 去除率分别为9 9 9 、9 0 8 ，平均n i - i + 4 - n 、t n 去除率分别为9 6 1 、7 6 1 。组合工艺的脱氮效率受限于前级亚硝化反应器出水n h 4 n 、n o z n 浓度比例。当控制在 0 6 2 ，0 7 7 区间时，组合工艺脱氮效率为6 0 左右，当反应比例控制在 0 7 ，1 3 3 区间时，组合工艺脱氮效率为8 0 左右。6 在对经处理和未经处理的生活污水中添加碳酸氢铵、亚硝酸钠为试验用水的两组试验进行对比研究后得出：两组试验废水t n 去除率分别为7 8 6 3 、7 6 5 7 ，非常接近。说明在高氨氮、低碳氮比水质条件下，有机物对厌氧氨氧化菌的活性没有太大影响，高氨氮、低碳氨比废水完全可实现厌氧氨氧化高效生物脱氮。7 光学显微镜和扫描电镜观察结果表明，亚硝化菌以球状菌为主，从细菌形态看，可能是亚硝化球菌属( n i t r o s o c o c c u s ) 。厌氧氨氧化菌是以球状菌为主，其它杆状菌、螺旋菌、丝状菌共存的微生物混培体。随培养时间延长，反应器内颗粒污泥内部细菌发生老化或自溶：颗粒污泥外部菌种丰富。细菌表面饱满光滑，活性较高。在理论假设条件下，测得该菌的最大比增长速率为0 0 7 7 9d ，相对应地微生物倍增时间为9d 。关键词：溶解氧亚硝化厌氧氨氧化生物脱氮a b s t r a c ti t i sa l w a y sad i f f i c u l tp r o b l e mt or e a l i z en i g h - e f f i c i e n ta n dl o w c o n s u m p t i o nd i s p o s a lo fh i g ha m m o n i an i t r o g e na n dl o wc nr a t i ow 钲黼a t e ri nt h ew a s t e w a t e t r e a t m e n tf i e l d i nr e c e n ty e a r s ，a n a e r o b i ca m m o n i u mo x i d a t i o na s an o v e lb i o l o g i c a ln i t r o g e nr e m o v a lp r o c e s sh a sb e c o m ear e s e a r c hf o c u si nt h i sf i e l d ，w h i c hh a db e e nw i d e l ys t u d i e da n dh a sb e g a nt ob ea p p l i e di nw a s t e w a t e rb i o l o g i c a ln i t r o g e nr e m o v a lf i e l da tb r o a d i nt h i sp a p e r , t h ea u t h o ru s e dh i g h - s t r e n g t hs y n t h e t i ca m m o n i u mw a s t e w a t e ra st h er e s e a r c ht a r g e tt os e p a r a t e l yr e s e a r c ht h et e c h n o l o g yo fal o n gm c r tn i t r i f i c a t i o na n dq u i c ks t a r t - u pa n a e r o b i ca m m o n i u mo x i d a t i o np r o c e s s , a n db a s e do nw h i c h ，w es u c c e s s f u l l yr e a l i z e dt h eh i g he f f i c i e n tn i t r o g e n 瑚舯v a lw f l bn i t r i f i c a t i o n - a n a m m o xc o m b i n e dp r o c e s s t h ec o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ：1 b ym e a u so fk e e p i n gt h em i c r o b el o n gs l u d g ea g e ( 1 0 6d ) ，t h r o u g ha d j u s t i n ga e r a t i o nc a p a c i t y( o 0 4 0 r e 弧) a n dc o n t r o l l i n g d i s s o l v e do x y g e n ( h e l o w l o m g l ) i n t h er e a c t o r , i t i ss u c c e s s f u l l yr e a l i z e dt h er a t i oo fn h 4 * - n n 0 2 - ni nt h eh l g h - s t r e n g t ha m m o n i u mw a s t e w a t e ro u t f l o wf r o mt h en i u i t er e a c t o rr e a c h i n g1 ：1 2 u t i l i z i n gt h eo x y g e nc o n s u m p t i o nc h a r a c t e r i s t i ci na m m o n i u mo x i d a t i o n ，i tc a nr e a l i z et h ei n f l o wd i s s o l v e do x y g e nb e l o w0 0 5 m g li nt h ea n a m m o xr e a c t o r , w h i c hp r o v i d e dt h ep r e c o n d i t i o na n dg u a r a n t e ef o rr e a l i z i n gh i g he f f i c i e n tb i o l o g i c a ln i t r o g e nr e m o v a li na n a e r o b i ca m m o n i u mo x i d a t i o np r o c e s s 3 t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w e dt h a ta n a e r o b i ca m m o n i u mo x i d a t i o nc o u l dr e a l i z eh i g he f f i c i e n tn i t r o g e nr e m o v a l t h em a x i m a la m m o n i a ，n i t r i t ea n dt o t a ln i t r o g e nr e m o v a lr a t ew e r e9 9 9 1 ，9 9 8 6 ，9 1 3 5 r e s p e c t i v e l y , t h ea v e r a g er e m o v a lr a t eo fa m m o n i a ，n i t r i t ea n dt o t a ln i t r o g e nw e r eo v e r8 7 8 5 9 5 5 8 1 5 r e s p e c t i v e l y 4 t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w e dt h a tt o t a ln i t r o g e nr e m o v a lv o l u m e t r i cl o a d i n gc o u l dr e a c h0 9k g t n m 3 d w i t h t h eu s e o f h i g h v o l u m e t r i c l o a d i n gs t a r t u pr e a c t o r i nas h o r t t i m e ，w h i c h i sh i g h e r t h a n0 2 1 5 k g ( m 3 d ) u n d e rl o wv o l u m e t r i cl o a d i n gs t a r tu ps t a g e i th a sn o tc e m er e s t r a i n tb yn i t r i t et h a tu s u a l l yc o m e su pd u r i n gl o wv o l u m e t r i cl o a d i n gs t a r tu pr e a c t o ri n t l u e n tc o n c e n t r a t i o nb e i n gm o r et h a n3 0 0 m 以5 t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ec o m b i n e dp r o c e s sh a ss u c c e s s f u l l yr e a l i z e dh i g he f f i c i e n tb i o l o g i c a ln i t r o g e nr e m o v a lu n d e rt h ec o n d i t i o no ft o t a ln i t r o g e nv o l u m e t r i cl o a d i n gb e i n go 3 5 8 k g t n ( 矗d ) u s i n gp u r ea m m o n i u ms y n t h e t i cw a s t e w a t e ra sr e s e a r c ht a r g e t d u r i n gt h ee x p e r i m e n tp e r i o d ，t h em a x i m a la m m o n i aa n dt o t a ln i t r o g e nr e m o v a lr a t ec o u l dr e a c h9 9 9 。9 0 8 r e s p e c t i v e l y , t h ea v e r a g er e m o v a lr a t eo fa m m o n i aa n dt o t a ln i t r o g e nw e r e9 6 1 7 6 1 r e s p e c t i v e l y t h eo u t f l o ws u b s t r a t er a t i oo fa m m o n i u mt on i t r i t ef r o mt h en i t r i t er e a c t o rr e s t r a i n s 也en i t r o g e nr e m o v a lr a t e t h en i t r o g e nr e m o v a lr a t ei sa b o u t6 0 w h e nt h er a t i oo fa m m o n i u mt on i t r i t ei sc o n t r o l l e db e t w e e n0 6 2a n do 7 7 ，a n da b o u t8 0 w h e nt h er a t i oi sc o n t r o l l e db e t w e e n0 7 7a n d1 3 3 6 c o m p a r a t i v ee x p e r i m e n t sw e r ed o n eb yu s eo fs y n t h e t i cw a s t e w a t e ro ft r e a t e dd o m e s t i ci lw a s t e w a t e r a n du n t r e a t e dd o m c s f i cw a s t e , w a t e rc o n t a i n i n ga m m o n i u i i lb i c a r b o n a t ea n dn i t r i t e a sf o rt h er e s u l t st nr e m o v a lr a t e sw e r e7 8 6 3 a n d7 6 5 7 r e s p e c t i v e l y , w h i c hs h o w e dt h a tt h ea c t i v i t i e so fa n a m m o xb a c t e r i aw e r en o ta f f e c t e db yt h ee x i s t e n c eo fo r g a n i cm a t t e r h i g h s t r e n g t ha m m o n i u ma n dl o wc nr a t i ow a s t e w a t e rc a nr e a l i z eh i g he f f i c i e n tb i o l o g i c a ln i t r o g e nr e m o v a lw i t ha n a e r o b i ca m m o n i u mo x i d a t i o n 7 t h eo b s e r v a t i o nr c s u l t so fo p t i c a lm i c r o s c o p ea n ds e ms h o w e dt h a t ，d o m i n a n tn i t r o c o c c u sc o u l db es p h e r i c a lb a c t e r i a ( n i t r o s o c o c c u s ) a n a e r o b i ca m m o n i u mo x i d a t i o nb a c t e r i aw e r eo n ec o m b i n e db o d yo ft h eb a c i l l u s ，s p k o b a c t e f i aa n df i l a m e n t o u sb a o t e d a t h eb a c t e r i a o fg r a n u l a ri nr e a c t o rb e g a nt oa u t o l y z ew i t he x t e n s i o no ft i m e t h es p e c i e so fg r a n u l a re x t e r i o rb a c t e r i ai sa b u n d a n t ；t h ee x t e r i o rs u r f a c eo fw h i c hi ss m o o t ha n di t sa c t i v i t i e si sh i g h u n d e rt h e o r e t i c a lh y p o t h e s i s , t h em a x i m u ms p e c i f i cm i c r o b i a li n c r e m e n t a lr a t ew a s0 0 7 7 9 d 1a n de q u i v a l e n tm u l t i p l i c a t i o nt i m ew a s9d a y s k e yw o r d s ：d i s s o l v e do x y g e n ；n i t r i f i c a t i o n ；a n a e r o b i ca m m o n i u mo x i d a t i o n ；b i o l o g i c a ln i t r o g e nr c m o v a ll l插图目录图卜1 传统生物脱氮枫理图1 - 2 厌氧氨氧化的可能代谢途径图卜3 好氧氨氧化的可能途径一图卜4 传统生物脱氮工艺流程图l 一5a ，o 工艺流程图2 1 亚硝化一厌氧氨氧化生物脱氮工艺流程图3 一l 亚硝化反应工艺流程图图3 - 2 亚硝化反应器内氮素平衡关系图3 3 亚硝化稳定期氨氮去除率与亚硝酸氮生成率关系图3 4 亚硝化反应器各阶段氮素比例关系图3 - 5 亚硝化反应嚣出水氮氧化物及比例关系图3 - 6 亚硝化反应器总氮去除率历时变化曲线图3 7 亚硝化反应器内s s 、v s s 、v s s s s 变化曲线图3 8 亚硝化反应器进出水p h 、m 【变化曲线图4 - 1 二级串连厌氧氨氧化工艺流程图4 2 一级反应器进出水d o 变化曲线图4 - 3 一级反应器进出水氮素变化曲线：图4 4 一级反应器污泥性状特性曲线图4 - 5 一级反应器接种污泥耗氧速率特性曲线图4 - 6 二级反应器氨氮历时变化曲线图4 7 二级反应器亚硝酸氮历时变化曲线图4 - 8 二级反应器硝酸氮历时变化曲线图4 - 9 二级反应器t n 历时变化曲线图4 一l o 二级反应器容积负荷历时变化曲线图4 1 1 二级反应器氨容积负荷与去除负荷历时变化盐线图4 一1 2 二级反应器氨容积负荷与去除负荷之间的关系图4 1 3 二级反应器亚硝酸氮容积负荷与去除负荷之间的相关关系图4 1 4 二级反应器总氮容积负荷与去除负荷之间的相关关系图4 1 5 二级反应器p h 、碱度历时变化曲线图4 1 6 二级反应器水力停留时间对反应器脱氮性能的影响图4 一1 7 二级高负荷反应器进出水氨氮及氨氮去除率历时变化曲线图4 一1 8 二级高负荷反应器进出水亚硝酸氮及亚硝酸氮去除率变化曲线图4 - 1 9 二级高负荷反应器进出水总氮及总氮去除率历时变化曲线图4 2 0 二级高负荷反应器进出水硝酸氨历时变化曲线图4 2 1 二级高负荷反应器进出水p h 历时变化曲线v l0060，孔毖船船孔嚣舾嬲鹦幻甜船匏跎黯弘弘驱跖盯勰骢驱!；四图4 2 2 二级高负荷反应器进出水a i _ k 历时变化曲线图4 - 2 3 二级高负荷反应器t n 容积负荷历时变化曲线图4 2 4 二级高负荷反应器内污泥浓度历时变化曲线图4 - 2 5 二级高负荷反应器t n 容积负荷与去除负荷变化曲线图4 - 2 6 二级高负荷反应器t n 去除量与a n 0 2 n 生成量关系图4 - 2 7 二级高负荷反应器a n 0 2 n 去除量与k n 0 3 。n 生成量关系图4 - 2 8 二级高负荷反应器t n 去除负荷历时变化曲线图4 2 9 二级高负荷反应器t n 去除负荷阶段历时变化曲线图4 3 0 二级高负荷反应器t n 去除负荷与n o s - - n 增长量之间关系图4 3 1 二级反应器t n 去除负荷历时变化曲线图5 - 1 亚硝化一厌氧氨氧化工艺t n 历时变化曲线图5 2 亚硝化一厌氧氨氧化工艺温度历时变化曲线图5 3 n h 4 + - n n 0 2 - n 比例与t n 去除率关系图5 4 曝气量与亚硝酸氮生成率关系曲线图5 5 曝气量与氨氮去除率关系曲线图5 6 亚硝化反应器内游离氨历时变化曲线图5 7 亚硝化反应器内理论耗碱量与实际耗碱量关系。图5 8 二级a n a m m o x 生物脱氮( 有机质进水) 工艺流程图图5 - 9 一级反应器氨氮历时变化曲线图5 1 0 一级反应器亚硝酸氮历时变化曲线图5 - i l 一级反应器硝酸氮浓度历时变化曲线图5 一1 2 一级反应器进出水c o d c ! r 变化曲线图5 1 3 二级a n a m m o x 反应器进出水硝酸氮历时变化曲线图5 1 4 二级a n a m m o x 反应器进出水c o d o 浓度历时变化曲线图5 1 5 二级a n a m m o x 反应器进出水氨氮浓度及去除率变化曲线图5 1 6 二级a n a m m o x 反应器进出水亚硝酸氮浓度及去除率变化曲线图5 1 7 二级a n a m m o x 反应器进出水总氮浓度及去除率变化曲线图5 1 8 二级a n a m m o x 反应器氨氮、亚硝酸氮去除率比例关系图5 1 9 二级高负荷反应器氨氮、亚硝酸氮去除率比例关系图5 2 0 二级反应器氨氮、亚硝酸氮去除比例关系图6 1 硝化污泥外观结构图图6 2 硝化污泥内部微生物菌落特征图6 3 光学显微镜下接种污泥生物相观察图6 4 厌氧氨氧化颗粒污泥表面微生物相观察图6 _ 5 颗粒污泥切片微生物相观察图6 - 6 厌氧氨氧化混培菌生物相观察图6 7 颗粒污泥切片厌氧氨氧化混培菌生物相观察的们札蝣“躺舶拍盯鹳矾肌匏器鼹弘弱弱暑弱盯盯嬲黯黯吼钮晒硒g明朗v表格目录表卜lo l a n d 工艺与传统的硝化一反硝化工艺化学反应式及比较8表卜2s 地讯o n a n a m m o x 组合工艺和传统生物脱氮工艺的比较。l l表1 - 3 几种生物脱氮途径的比较1 1表卜4a n a m m o x 生物脱氨与传统硝化反硝化生物脱氮的比较1 3表1 - 5 基本控制项目最高允许排放浓度1 4表3 1 实验用水水质表1 9表3 2 反应器内微生物污泥龄2 4表3 3 亚硝化反应器各运行阶段微生物活性2 5表4 一l 无机盐培养基组份2 7表4 2 一级反应器接种污泥不同时段最大耗氧速率3 1表4 3 二级反应器运行期间各反应物平均浓度变化3 3表4 4 二级反应器容积负荷、容积去除负荷及其相关性3 6表4 5 二级高负荷反应器各时段氮素去除情况4 l表4 - 6 二级高负荷反应器各时段污泥龄变化4 2表4 7 二级高负荷反应器不同h r t 下处理模拟废水的性能4 3表4 8 不同反应器及反应条件下肛值比较4 7表5 一l 二级a n a m m o x 反应器不同阶段反应器各指标变化情况5 9表5 2 不同反应器氨氮、亚硝酸氮进水比例及反应比例对比数据表6 lh独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名：时间：年月日关于论文使用授权的说明本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、。传播学位论文的全部或部分内容。( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议)研究生签名：时间：年月日导师签名：纺私时间：劫盯年莎月；口日1 1 氨素污染简介第一章绪论氮是不可缺少的重要生命要素之一，它对人类生存发展的重要性不言而喻。但人类过度的开发利用，使氨素在循环过程中加剧了全球三大环境问题：温室效应、水体富营养化和酸雨。尤其，近年来含氮工业废水和生活污水未经处理就直接排入江河给环境造成了严重危害。主要表现为如下几个方面“：1 造成水体富营养化现象水体中所含的氨氮，特别是封闭水体中的氨氮最突出的危害是加重水体的富营养化现象，引发大量鱼类和水生生物死亡。2 增加给水处理的成本在水厂加氯消毒时，水体中少量氨即会导致加氯量成倍增加，进而增加给水处理成本。此外，氨还会与一些铜组件及铜台金设备中的铜组分发生化学反应引起相关设备的腐蚀。3 降低水体的观赏价值氨氮氧化成硝态氮消耗水体中的溶解氧，溶解氧的降低会加重水体水质恶臭现象。这类水不仅水质又黑又臭，且透明度仅有0 2 m ，往往影响了江河湖泊的观赏和旅游价值。4 对人及生物具有毒害作用根据世界卫生组织( w h o ) 规定，n 0 3 - n 含量不能超过1 0 m g l 。出生4 “个月的婴儿，对硝酸盐的耐受力比较低，当饮用水内硝酸盐含量为9 0 1 4 0 m g l 时，人体会失去血红蛋白在体内输送氧的能力而窒息死亡。水中n 0 2 - n 超过3 m g l 时，金鱼在9 2 4 h 内死亡。此外，亚硝酸与胺作用生成亚硝胺，有致癌和致畸作用。针对以上问题，可采用物理、化学、生物脱氮技术实现对氮素的污染控制，而生物脱氮又被公认为是目前废水脱氮处理中最为经济、有效的方法之一”1 。最近研究出的新型脱氮技术与传统生物脱氮技术相比，不仅可以节省能耗，而且可以缩短反应时间、大幅度降低产生的污泥量，所以有必要对近年来国内外新型生物脱氦途径及生物脱氮处理工艺进行系统的介绍和研究，使之可以在我国污水生物脱氮处理领域发挥更积极的作用。1 2 生物脱氮途径近年来，为了克服传统生物脱氮工艺流程复杂、能耗高、运行管理不便、产生污泥量大等弊端，世界范围内兴起了对生物脱氨新途径的研究热潮，人们普遍开始认识到，在现有的生物处理系统中，氮在废水处理过程中不能按照传统的脱氮理论进行平衡。特别是在氮负荷较高、供氧困难或溶解氧较低、c x n 比低、水温较高( 2 5 3 5 c ) 等条件下，未知原因的氮流失现象更加明显。随着对传统硝化反硝化理论的拓展，这些未知的氨流失现象。得到了理论上的解释。许多研究表中国农业大学硕士学位论文第一章绪论明白然界中存在多种新的氨素转化途径，如短程硝化反硝化、厌氧氨氧化( a n a e r o b i ca m m o n i u mo x i d a t i o n ) 、好氧反硝化”( a e r o b i cd e n i h i f i c a t i o n ) 、异氧硝化( h e t e r o t r o p h i cn i t r i f i c a t i o n ) 或者由自养硝化细菌引起的反硝化( d e n i t r i f i c a t i o nb ya u t o t r o p h i cn i t r i f y i n gb a c t e r i a ) 等。1 2 1 传统生物脱氮途径传统生物脱氮主要利用氨氧化菌将含氮有机物( 如蛋白质、氨基酸、尿素、脂类等) 氧化分解，转化为n i 毗+ - n ：然后由自养型硝化细菌将其转化为n 0 3 - - n ；最后再由反硝化细菌将n 0 3 - n还原转化为n 2 ，从而达到脱氮目的。传统生物脱氮一般要经历硝化反硝化两个阶段( 见图i - i ) 。好、厌气状态好气状态广 r 1d o 碱度增大d o 碱度减少d o有机( 脱氨反应)异养性细菌n h c + - n埘胡n ，、n ，0 菌图1 - 1 传统生物脱氰机理f i 9 1 1t h e m e c h a n i s m o f t r a d i t i o n a lb i o l o g i c a l n i t r o g e nr e m o v a l第一阶段( 硝化反应) ：硝化反应是由一类自养好氧微生物完成的，它包括两个步骤：第一步称为亚硝化过程，是由韭硝化细菌( 亚硝酸单胞茁属、亚硝酸螺杆菌属和硝化球菌属) 将氨氨转化为亚硝酸氦，第二步称为硝化过程，由硝化细菌( 硝酸杆菌属、螺菌属和球菌属) 将亚硝酸氮进一步转化为硝酸氦。第二阶段( 反硝化反应) ：反硝化反应是由一群异养微生物完成的，它是在溶解氧浓度极低的环境下，利用硝酸盐中的氧作为电子受体，有机物作为碳源及电子供体，最终将硝酸氮或亚硝酸氮还原成n 2 或n 2 0 。1 2 2 生物脱氮新途径1 2 2 1 短程硝化反硝化生物脱氮短程硝化一反硝化生物脱氮作为一种新型的生物脱氮理论，具有较高的应用价值。它完全突破了长期以来一直都认为要实现废水生物脱氨就必须使n i - h ；n 经历典型的硝化一反硝化过程才能被去除的观念。1 9 7 5 年v o t e s 等“1 在进行高浓度氨氮废水处理研究中，发现了硝化过程中n 0 2 - n 积累的现2中国农业大学硕士学位论文第一章绪论象，并首次提出了短程硝化一反硝化生物脱氮概念。反应过程如下：0 5 n h ：+ 0 7 5 0 , 一0 5 n o ；+ 0 5 h ，0 + h + ( 1 )0 5 v h ：+ 0 5 n o ；，0 5 n 24 - h ，0 ( 2 )n 日：+ n 7 5 d ，_ n 5 ，+ 1 5 h ，0 - i - h + ( 3 )但人们一宣认为h n 0 2 具有一定耗氧性及毒性，影响受纳水体的溶解氧且对受纳水体和人是不安全的，所以尽量避免h n 0 2 的积累，这样要实现废水生物脱氨就必须使氨氮经历典型的硝化和反硝化过程“。然而，短程硝化一反硝化相对于传统生物脱氮能够减少硝化过程的需氧量、反硝化过程的有机碳投入量、降低运行过程能耗及费用的突出优点，使得研究工作者开始重新审视用短程硝化一反硝化途径来实现废水生物脱氮。1 9 8 6 年，s u t h e r s o n 等1 经小试实验研究证实了经n 0 2 - - n 途径进行生物脱氮的可行性。同时，t u r k 和n a v i n i c “对推流式前置反硝化活性污泥脱氮系统也进行了经n 0 2 - n 途径脱氮的研究并取得了成功。然而，硝化反应中，一般认为硝酸氨是反应的主产物，如何把氨氧化控制在n 0 2 - - n并维持较高的n 0 2 - n 浓度是实现短程硝化一反硝化的关键所在。目前对影响n 0 2 - - n 积累的因素普遍认为是温度、p h 值、溶解氧( d o ) 、自由羟氨( n i - 1 2 0 h ) 以及水力负荷、污泥龄等。但对n 0 2 - - n积累的理论解释并不充分，有待于进一步研究”。12 2 2 厌氧氨氧化生物脱氮a n a m m o x 反应机理是于1 9 9 5 年，荷兰d e f t 大学的m u l d e r 和v a nd eg r a f t 等在一个中试规模的反硝化流化床中发现的。在该流化床的长期运行过程中，m u l d e r 和g r a a f 等人1 发现氨的消失与硝酸盐的消失同时发生且成正相关，他们认为反应器中发生了如下反应：5 删：+ 3 d i _ 4 n ，4 - 9 h ，0 4 - 2 h +go = - 2 9 7 k l m o l ( d )该反应是一个释能反应，理论上可为细蔼的生长提供能量。据此，m u | d e r 等人推测，发生于脱氮流化床反应器内的氨消失是细菌将氨用作电子供体( 盐) 所致，并把这个以氨为电子供体的反硝化反应称为厌氧氨氧化。g r a a f ”1 的进一步研究表明，在a n a m m o x 工艺中，n 0 2 - 才是关键的电子受体，而不是( 4 ) 式中的n 0 3 ，即厌氧氮氧化的反应是按( 5 ) 式进行的。脯：+ n d ；- - ，+ 2 1 - 1 ，0go = - 3 5 8 l d h n o l ( 5 )其原理就是在厌氧条件下( 确切的说是在缺氧的条件下，即无分子氧的条件下) 通过微生物的作用，以娅硝酸氮为电子受体，氨氮为电子供体，将旺硝酸氨和氨氮氮同时转化为n 2 的过程。12 2 2 2a l l m 0 x 菌的特性1 a n a m m o x 菌的微生物学性状j e t t e n 等人“”从发现a n a m m o x 反应的反硝化流化床反应器中分离并获取了a n a m m o x细菌，经富集培养后获得了一种优势自养菌。如果从外观观察，随着培养时间的延长，污泥颗粒颜色由棕色变为深红色。g n 群对污泥进行电镜扫描实验，发现污泥中存在较多的细菌，多数为形状不规则的短杆状细菌，也有少量的丝状。多数细菌周围还包裹着一层粘性物质，推测认为，这可能是厌氧氨氧化细菌在代谢过程中分泌的多糖类物质。细胞内有命名为”a m a m m o x o s o l l e 的特3中国农业大学硕士学位论文第一章绪论殊细胞器它能合成与羟胺氧化还原酶相类似的一种酶，该酶在厌氧氨氧化过程中起着重要作用。通过对已发现的几种厌氧氨氧化细菌的1 6 s r d n a ( 核糖体脱氧核糖核酸) 序列分析，发现厌氧氨氧化细菌属于浮霉状菌属( p l a n c t o m y c e t e ) ，并且认为自然界中可能存在多种细菌能够实现厌氧氨氧化过程。赵丹“”等在文献中指出a n a m m m o x 富集培养的微生物是一类不发光的椭球形细菌，电镜下显示出不寻常的无规则形态，并显示出古细菌，如太古或分支非常深的细菌( t h e r m o t o g a 和a q u i f e x 等) 的一些特征，这点有待于进一步进行研究和鉴定。2 a n a 删0 x 菌的理化性状s 仃o u sm “”对于厌氧氨氧化细菌的研究表明，厌氧氨氧化细菌为革兰氏阴性菌，外形不规则，通常以单细胞或成对的形式存在。这种菌的最大氨氧化速率可达到5 5 n m o l ( m i n m gp r o t e i n ) ，但是这种厌氧氨氧化细菌的生长速率非常低，仅为0 0 0 3 h ，即其倍增时间为1 1d 。1 2 2 2 3 抑制基质j e r e n 等人和g r a a f 等人的研究都表明，氧气、乙炔、以及氧霉素，氨比西林，氧化汞等化学药品在一定浓度下对a n a m m o x 菌具有较强的抑制作用。除此之外，有机物存在时异养菌的生长会超过厌氧氨氧化细菌，对此菌也具有一定的抑制作用。1 2 2 2 4a n a g l t l 0 x 反应途径目前推测厌氧氨氧化反应有多种途径。其中一种包括，氨被氧化为羟氨，羟氨和亚硝酸盐生成n 2 0 的反应，而n 2 0 可以进一步转化为氮气。另一种是氨和羟氨反应生成联氨，联氨被转化成氮气并生成4 个还原性 h i ，还原性 h i 被传递到亚硝酸还原系统形成羟氨”。第三种是：亚硝酸被还原为n o ，n o 被还原为n 2 0 ，n 2 0 再被还原成n 2 “”；n h 4 + 被氧化为n h 2 0 h 、n h 2 0 h 经n 2 1 1 4 、n 2 h 2 被转化为n 2 。如图1 2 所示：n 0 3固卜2 厌氯甄氧化的可能代谢途径f i 9 1 2t h e p o t e n t i a l m e m b o l i z e a p p f o a c h o f a u s c r o b i ca m m o m u mo 耐d a t i o n有报道说氨氧化的中间产物有n l 加h 和n 2 l 4 、 琳0 2 、n o 、n 2 0 等，且在实验中发现n h 2 0 h作为底物时比n 2 l i 4 更具有活性。v a nd eg r a m 等“”也认为n h 2 0 h 是最有可能的电子受体，n h 2 0 h 本身最有可能是从n 演化而来的；在n 1 4 + 和n h 2 0 h 都过量的批量实验中，有短暂的n 2 h 4 积累现象。但是，由于对中间产物不是很明确，故对氮在a n a m m o x 过程中的确切转化途径还没有定论。41 2 3 其它新型生物脱氨途径1 2 3 1 异养硝化一好氧反硝化生物脱氮2 0 世纪踟年代后期以来，在生物脱氮生物学方面有了很大进展，人们曾多次观察到在没有明显缺氧段的活性污泥法中存在脱氦现象，发现了多种好氧反硝化菌：p s e u d o m o n a ss p p ，a l c a l i g e n e sf a c e c a l i s ，t h i o s p h a e t a p a n t o t r o p h a ，这些好氧反硝化菌同时也是异养硝化菌，这一发现为利用单一细菌、单个反应器在低氧浓度下处理高c n 比( 1 0 ) 的废水提供了生物学基础1 。特殊的异养硝化一好氧反硝化现象是指在有氧气存在下或在曝气池中，由于氧气向絮体或生物膜中的扩散受限，或没有很好的混合，导致将异养硝化作用中产生的硝态氨产物反硝化还原为氮的过程。通常情况下，只要一般絮体的尺寸在0 1 5 r a m 或生物膜超过0 1 m m 的范围就已经足够允许在传统的活性污泥处理系统中形成实际上的反硝化，另外在氧气受限的活性污泥系统中，微生物细胞可以通过同时呼吸氧气和硝酸氨获得较高的生长速率。此时因为污泥絮体中存在部分的厌氧环境，正常的反硝化还是可以发生，因而很难区分这两个过程”目前，好氧反硝化途径应用的主要难题是如何保持商浓度的好氧反硝化菌体并使其在较高的速率下进行好氧反硝化反应。但因反应机理尚不清楚，主要通过实验在不同的反应条件下测试好氧反硝化进行的速率来选取较优条件，而较高的菌体浓度和纯度也只能在实验室得到，难以应用于生产。所以，目前在污水处理厂中应用尚无报道。1 2 3 ，2 自养反硝化菌的反硝化生物脱氮反硝化一般为异养、厌氧代谢，需要有机碳源。而s v i d a l 等“通过平行对比实验得出自养反硝化脱氮的速率是异养反硝化的2 倍，在异养反硝化的反应器中投加甲醇作为碳源后其脱氮的速率才与自养反硝化的相当，因此利用自养反硝化可以免除有机碳源的投加，降低污水处理成本。a k o e n i g 和l h u u ”对t h i o b a c i l l u sd e n i t r i f i c a n s 的自养反硝化过程研究表明：t h i o b a c i l l u sd e n i t r i f l c a n s 的能量代谢过程中，在氧化单质硫为s o ? 的同时，还原n o r 生成n 2 ，并产生菌体代谢所需要的有机碳源。其反应过程如式( 6 ) ：n o ；+ l l o s + 0 4 0 c 0 a + 0 l 7 6 h 2 + a 0 8 v h ：一q 5 2 + i 1 0 s o ：一+ 1 2 8 h + + ( 1 0 8 c s h ，0 2 n ( 6 )自养反硝化细菌的反硝化是以还原性的无机物( 硫化物、h 2 ) 为电子供体，以氧化态氮为电子受体进行的反硝化过程。典型的微生物为硫细菌中的脱氨硫杆菌( t h i o b a c i l l u s d e n i t r i f l c a n s ) 、氢细菌中的脱氮副球菌( p a r a c o c c u s d e n i t r i f i c a n s ) 等，其反应过程如式( 7 ) 、( 8 ) ：5 s + 6 n o - 3 + 8 1 t 2 0 三垒直鲑已呻h ，s 0 4 + 6 0 吁+ 3 ，t ( 7 )5 h ，+ 2 n o ；兰壹望堕4 抒，d + 2 0 h 一+ n ，t ( 8 )1 2 3 3 自养硝化菌的反硝化生物脱氮1 9 9 7 年h i p p ”等在德国m e c h e r n i c h 地区的垃圾渗滤水处理厂进行氮平衡研究时，发现了一个非常熏要的新型生物脱氮现象：全程白养脱氨( d e a m m o n i f i c a t i o n 或a u t o t r o p h i ca m m o n i ar e m o v a l ) 。他们发现，在限制溶解氧条件下( 1 o m g a 左右) ，有超过6 0 的氨氮在生物转盘反应器5中转化成n 2 ，反应过程中总有机碳( 1 d c ) 很低( 2 0 蚰1 9 d ，且没有明显变化，表明不存在明显的异养反硝化，整个氨氮转化为氮气的过程全部由自养菌完成，并称之为好氧反氨化( a e r o b i cd e a m m o n i f i c a t i o n ) 。此过程的可能途径见图1 - 3 ：n h ：+ 0 2 ，n h 2 0 h + h 2 0圈i - 3 好氩氨氧化的可能途径f j 9 1 3t h e p o t e n t i a la p p m a c ho f a e r o b i ca m m o n i u m o x j d a t i o n这些自养硝化菌转化速率在数量级上比传统的硝化一反硝化转化速率低很多，可以看作是在特殊条件下发生的一类副反应。然而，进一步的研究表明全程自养脱氮的能耗仅为硝化一反硝化脱氮能耗的1 3 。1 2 ，且无须添加有机碳源进行反硝化，处理费用大为降低。”。1 3 生物脱氮工艺目前，随着国内外众多学者对好氧反硝化”“、异氧硝化”、厌氧氨氧化“”或者由自养硝化细菌引起的反硝化”等特殊的氮素转化途径的深入研究，导致了许多新型生物脱氮工艺的出现。其中，s